TL;DR

스탬핑 공정에서의 다이 가링(die galling)은 접착 마모의 파괴적인 형태로, 일반적으로 '냉간 용접(cold welding)'이라고 불리며, 과도한 마찰과 열로 인해 도구와 작업물이 미세한 수준에서 융합되는 현상입니다. 이를 예방하려면 단일한 간단한 해결책이 아니라 다층적 공학 접근 방식이 필요합니다. 주요 방어 방법은 세 가지입니다. 다이 설계 최적화 두꺼워지는 구역(예: 드로우 코너)에서 펀치와 다이 사이의 클리어런스를 증가시켜 서로 다른 도구 재료 선택 (예: 알루미늄 브론즈)하여 화학적 친화력을 차단하고 고급 코팅 적용 표면이 완전히 연마된 후에야 TiCN 또는 DLC와 같은 코팅을 적용합니다. 또한 극압(EP) 윤활제 사용 및 프레스 속도 감소와 같은 작업 조정은 마지막 보완 조치로 활용됩니다.

가링의 물리학: 왜 냉간 용접이 발생하는가

다이 갈링(galling)을 방지하기 위해서는 먼저 갈링이 마모성 마찰과 근본적으로 다르다는 점을 이해해야 합니다. 마모성 마찰이 거친 종이로 나무를 샌딩하는 것과 같다면, 갈링은 부착 마모 금속 표면의 보호 산화막이 프레스 성형 시 발생하는 막대한 압력으로 인해 파손될 때 나타나는 현상입니다. 이 경우 가공물의 화학적으로 활성인 '새로운' 금속이 공구강과 직접 접촉하게 됩니다.

미세한 수준에서 표면은 결코 완전히 매끄럽지 않으며, 이를 돌기(asperities)라고 하는 봉우리와 골짜기들로 구성되어 있습니다. 높은 톤수 하에서 이러한 돌기들이 맞물리며 국부적으로 강한 열을 발생시킵니다. 두 금속 재료 사이에 화학적 친화성이 존재할 경우 — 예를 들어 스테인리스강과 D2 공구강처럼 크롬 함량이 높은 경우 — 원자 수준에서 서로 결합할 수 있습니다. 이러한 과정을 표면 간 이동 또는 냉간 용접 . 공구가 계속 움직이면서 이 용접된 결합부가 전단되어 더 부드러운 표면에서 재료 덩어리들을 떼어내고, 이를 더 단단한 공구 위에 쌓게 된다. 이러한 부착물 또는 '갈림(galls)'은 이후 작업물에서 쟁기날처럼 작용하여 치명적인 긁힘 손상을 일으킨다.

첫 번째 방어선: 다이 설계 및 형상

업계에서 가장 흔한 오해는 코팅으로 모든 마모 문제를 해결할 수 있다는 것이다. 그러나 업계 전문가들은 근본 원인이 기계적 요인일 경우 코팅을 적용하더라도 단지 '문제를 덮는 것'에 불과하다고 경고한다. 주요 기계적 원인은 종종 부족한 펀치-다이 간격 이며, 특히 심발형 가공 부품에서 그러하다.

딥 드로잉에서 시트 메탈은 다이 캐비티로 유입되면서 평면 내 압축을 받으며, 이로 인해 재료가 자연스럽게 두꺼워집니다. 다이 설계 시 이러한 두꺼워짐을 반영하지 않으면—특히 드로우 코너의 수직 벽 부위에서—여유 공간이 사라지게 됩니다. 그 결과 다이가 재료를 효과적으로 '끼워' 강한 마찰이 발생하게 되며, 아무리 윤활제를 많이 사용해도 이를 극복할 수 없습니다. According to MetalForming Magazine , 이러한 두꺼워지는 구역에 여유 공간을 추가로 가공하는 것(일반적으로 재료 두께의 10–20% 정도)이 중요한 예방 조치입니다.

자동차용 컨트롤 암이나 서브프레임과 같은 복잡한 양산 공정의 경우, 이러한 두꺼워지는 구역을 예측하려면 정교한 엔지니어링이 필요합니다. 바로 이런 상황에서 전문 제조업체와 협력하는 것이 전략적 이점이 될 수 있습니다. 다음 회사들처럼 소이 메탈 테크놀로지 선진화된 CAE 분석과 IATF 16949 인증 프로토콜을 활용하여 다이 설계 단계에서 이러한 클리어런스 여유를 도입함으로써, 대량 생산 자동차 스탬핑 공정에서 첫 번째 스트로크부터 갈림(gall-free)이 보장되도록 합니다.

다른 하나의 기하학적 요인은 연마 방향 입니다. 금형 제작자는 금형 부위를 병렬 펀칭 또는 드로잉 동작 방향과 일치하도록 연마해야 합니다. 교차 연마는 미세한 홈을 남기게 되며, 이는 가공물에 대해 마찰제 역할을 하여 윤활 필름의 파손을 가속화합니다.

재료 과학: '이종 금속' 전략

스테인리스강이나 고강도 합금을 스탬핑할 때 공구용 강재 선택은 매우 중요합니다. 흔히 발생하는 고장 모드 중 하나는 D2 공구강으로 스테인리스강을 스탬핑하는 경우인데, D2는 약 12%의 크롬을 포함하고 있고, 스테인리스강 또한 부식 저항성을 위해 크롬을 사용하기 때문에 두 재료 간에는 높은 '금속학적 상호 호환성'이 존재합니다. 즉, 서로 붙기 쉽다는 의미입니다.

해결책은 이종 금속 이 화학적 친화력을 깨기 위해. 심한 갈림(galling)이 발생하는 응용 분야의 경우, 공학용 청동 재료가 특히 알루미늄 브론즈 는 일반적인 공구강보다 우수한 성능을 발휘한다. 알루미늄 청동은 강철보다 더 부드럽지만 뛰어난 윤활성과 열전도성을 가지며 무엇보다 철계 기판과의 냉간용접(cold-weld)을 하지 않는다는 중요한 특성이 있다. 마찰이 큰 부위에 알루미늄 청동 인서트나 부싱을 사용하면 경질 재료가 실패하는 곳에서도 접착 마모를 방지할 수 있다.

인성 확보를 위해 공구강이 반드시 필요하다면 분말야금(PM) 등급(CPM 3V 또는 M4와 같은)을 고려해 보라. 이러한 재료는 일반적인 D2보다 미세한 탄화물 분포를 제공하여 접착 마모 사이클의 시작에 덜 취약한 매끄러운 표면을 형성한다.

고급 표면 처리 및 코팅

기계적 구조와 재료 최적화 후에는 표면 코팅이 마지막 방벽 역할을 한다. 물리적 기상 증착(PVD) 코팅은 현대 펀칭 공정의 표준이지만, 올바른 코팅 조성을 선택하는 것이 매우 중요하다.

• TiCN(티타늄 카본질화물): 표준 TiN보다 더 높은 경도와 낮은 마찰 계수를 제공하는 다목적 코팅으로, 고강도 강철 성형에 널리 사용됩니다.
• DLC(Diamond-Like Carbon): 극도로 낮은 마찰 계수로 유명한 DLC는 알루미늄 및 난가공 비철 금속 응용 분야에서 프리미엄 선택지입니다. 이는 그래파이트의 특성을 모방하여 작업물이 최소한의 저항으로 미끄러지도록 합니다.
• 나이트라이딩: 코팅이 아니라 확산 공정으로, 질화처리는 공구강 자체의 표면을 경화시킵니다. 종종 하부 기재에 부드러운 부분이 생겨서 단단한 코팅이 균열되는 '달걀 껍데기 효과(Eggshell effect)'를 방지하기 위해 PVD 코팅 적용 전 기초 처리로 사용됩니다.

중요 경고: 코팅의 품질은 기재 준비 상태에 달려 있습니다. 공구 표면은 거울처럼 연마되어야 하며 이전 코팅 후에도 기존의 모든 스크래치나 요철은 그대로 재현되어 단단하고 날카로운 돌출부를 형성하게 되며, 이는 작업물을 과도하게 손상시킬 수 있습니다.

운용 대책: 윤활 및 유지보수

작업장에서 운영자는 철저한 공정 관리로 갈링(galling) 위험을 줄일 수 있습니다. 첫 번째 변수는 윤활 갈링 방지를 위해서는 단순한 오일이 종종 부적합합니다. 이 공정에는 극압(EP) 첨가제(예: 황 또는 염소) 또는 고체 장벽(예: 흑연 또는 몰리브덴 디설파이드)이 포함된 윤활유가 필요합니다. 이러한 첨가제들은 액체 오일이 프레스 톤수에 의해 짜내어지더라도 금속을 분리해 주는 '마찰학적 필름(tribological film)'을 형성합니다.

열 관리 두 번째 운영 요소입니다. 갈링은 열적으로 유발되며, 높은 온도는 가공물을 연화시키고 결합을 촉진합니다. 갈링이 발생하면 프레스 속도(분당 스트로크 수)를 낮춰보십시오. 이렇게 하면 공정 온도가 낮아지고 윤활제가 각 타격 사이에 회복될 시간이 더 확보됩니다. Rolleri 펀칭 작업 시 국부적인 열 축적과 소재 축적을 방지하기 위해 타격을 교차하는 '브릿지(Bridge)' 슬리팅 순서를 채택할 것을 제안합니다.

마지막으로, 정기적인 유지보수는 능동적이어야 합니다. 돌출부(갈링)가 생긴 후에 대응하기를 기다리지 말고, 미세한 부착물이 손상되는 덩어리로 성장하기 전에 스톤 처리 및 다이 라운드 부분을 청소하는 일정을 수립하여 제거해야 합니다. 날카로운 공구는 부품 성형에 필요한 톤수를 줄여주며, 이로 인해 마찰과 열이 감소되어 갈링 현상을 유발하는 요인을 줄일 수 있습니다.

공정에 신뢰성을 설계하기

다이 갈링을 방지하는 것은 운에 맡기는 문제가 아니라 물리학과 공학의 원칙을 따르는 것입니다. 충분한 재료 흐름 여유를 확보하고, 화학적으로 반응하지 않는 재료를 선택하며, 윤활제의 보호막을 유지함으로써 마찰의 법칙을 존중하면 냉간 용접을 거의 완전히 제거할 수 있습니다. 초기 설계 분석과 고품질 재료에 드는 비용은 다이 고착으로 인한 가동 중단이나 스크랩 부품의 발생률에 비하면 극히 미미합니다. 증상이 아닌 근본 원인을 치료한다면 생산 신뢰성은 자연스럽게 따라올 것입니다.

자주 묻는 질문

1. 스탬핑 다이에서 갈링을 줄이는 방법은 무엇입니까?

갈림 현상을 줄이기 위해 기계적 요소, 재료, 윤활의 세 가지 영역에 주목해야 합니다. 첫째, 펀치와 다이 사이의 간격이 충분한지 확인하십시오(두꺼워지는 구역에는 10~20% 정도 더 여유를 두는 것이 좋습니다). 둘째, 알루미늄 브론즈 또는 코팅된 분말야금(PM) 강철과 같은 이종 금속을 사용하여 냉간 용접을 방지하십시오. 셋째, 하중 하에서도 장벽 필름을 유지할 수 있는 고점도 윤활제와 극압(EP) 첨가제를 사용하십시오.

2. 샤프크 방지제가 갈링을 방지할 수 있나요?

예, 앤티-사이즈(anti-seize) 컴파운드는 구리, 흑연, 몰리브덴과 같은 고체 윤활제를 접촉면 사이에 도입함으로써 갈림 현상을 방지할 수 있습니다. 이러한 고체 물질은 액체 오일이 고압으로 짜내어진 경우에도 맞물리는 금속 부품들이 서로 닿지 않도록 물리적 장벽 역할을 합니다. 그러나 앤티-사이즈는 국소적인 운영 조치일 뿐이며, 간극이 지나치게 좁은 등의 근본적인 설계 결함을 해결하지는 못합니다.

3. 갈림 현상의 주요 원인은 무엇입니까?

갈림 현상의 주요 원인은 부착 마모 마찰과 열에 의해 발생한다. 고압으로 인해 금속 표면의 보호 산화막이 파손되면, 노출된 원자들이 결합하거나 서로 '용접'될 수 있다. 이는 공구와 작업물의 화학 조성이 유사할 때(예: 코팅되지 않은 공구강으로 스테인리스강을 스탬핑할 경우) 가장 흔히 발생하며, 이로 인해 높은 야금학적 친화력이 나타난다.